壓力容器用管板、法蘭和封頭等大型餅類鍛件的生產(chǎn)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)十分重要的地位,其生產(chǎn)水平的高低在一定程度上被視為衡量一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，此類鍛件生產(chǎn)難度大，常因探傷不合格而報(bào)廢，其中最嚴(yán)重的便是夾雜性裂紋.

    鋼中的非金屬夾雜物按傳統(tǒng)的分類方法可分為外來夾雜和內(nèi)生夾雜兩種。目前，隨著煉鋼技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是真空技術(shù)的采用，使得鋼水的質(zhì)量大大提高，外來夾雜物的含量已經(jīng)很低，但內(nèi)生夾雜物，尤其是那些在凝固過程中生成的各種夾雜，則比較難于控制。因?yàn)樗鼈兪卿摰慕M成部分，雖其大小、形狀、分布和組成等都可以得到改善，但絕對不可能完全避免。對于大型鍛件用鋼而言，隨著鋼錠體積的加大，內(nèi)生夾雜物的尺寸也相應(yīng)地加大。在管板鍛件的常用材料20MnMo、16Mn等鋼中，最主要的非金屬夾雜為硫化物(以MnS為代表)、鋁酸鹽類(以鋁酸鈣為代表)及少量的氧化物夾雜，這些夾雜物的存在及其在壓力加工中的變化，構(gòu)成了產(chǎn)生夾雜性裂紋最主要的動(dòng)因。避免大型餅類鍛件內(nèi)部的夾雜性(裂紋)缺陷，必須從控制夾雜物形貌(使之減少成為片狀的可能)和抑制微夾雜性裂紋聚合的角度出發(fā)，來制訂鍛造工藝。同時(shí)，還要兼顧到壓實(shí)孔洞和疏松等鋼錠的內(nèi)部缺陷，避免產(chǎn)生鍛件混晶等問題。

    我公司近期生產(chǎn)了5件大型管板鍛件，規(guī)格為1920mm×200mm，材質(zhì)為16Mn，重量為4790kg，鋼錠利用率為68．5％。其中3件因出現(xiàn)大面積密集性缺陷和3處單個(gè)缺陷大于4mm而報(bào)廢，缺陷位置徑向集中在直徑的1／2環(huán)形區(qū)域，軸向集中在高度的中間區(qū)域，超聲波探傷過程中發(fā)現(xiàn)有底波下降和消失的現(xiàn)象，可判斷出有大面積的密集性缺陷，可能為白點(diǎn)、疏松以及夾雜性裂紋等空穴型缺陷。該批管板鍛件用鋼是經(jīng)過電爐冶煉+爐外精煉制成。根據(jù)鋼廠的質(zhì)保書顯示，氫的含量控制在2×10以內(nèi)；鍛件鍛后冷卻到500℃左右就裝爐正火，避免了產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力；在290—310℃和640—660℃兩段擴(kuò)氫溫度范圍內(nèi)保溫時(shí)間均不低于15h，因此，可斷定該缺陷不是白點(diǎn)。鍛造工藝采用兩次W H F法拔長+一次鐓粗成形，鍛造比達(dá)8．8，鋼錠內(nèi)的孔洞、疏松等內(nèi)控缺陷可基本鍛合，也排除了疏松的可能。通過上面的分析，3件報(bào)廢大型管板探傷超標(biāo)的孔隙性缺陷可判定為夾雜性裂紋。

    由于鋼中不可避免會存在非金屬夾雜物，其物理性能與基體金屬間的差異，使鍛件在鍛造變形過程中產(chǎn)生應(yīng)變應(yīng)力集中并形成微裂紋。微裂紋在一定條件下聚合，進(jìn)而形成探傷可見缺陷。金屬在壓力作用下產(chǎn)生壓縮變形是塑性加工過程中最主要的成形方式之一。此時(shí)在變形金屬內(nèi)部的夾雜物將由圓形逐漸變?yōu)闄E圓形.通過分析夾雜性裂紋形成機(jī)理，可以得出避免此類裂紋的有效措施就是控制夾雜物的形狀變化和防止裂紋聚合。因此要求管板鍛件在鍛造過程中，特別是鐓粗環(huán)節(jié)中一定要使金屬變形均勻.迫使剛性區(qū)變形,消除或降低靜水應(yīng)力區(qū)的抗剪強(qiáng)度,減小管板鍛件鼓形程度.

    采用有限元軟件DEFO RM一3D對管板鐓粗過程進(jìn)行模擬，分別建立兩種模型，即a)一次鐓粗成形，b)預(yù)鐓粗40％+旋壓成形。毛坯材料選庫中DIN一16Mn(20—1200°C)，為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，取模型的1／2；剪切摩擦系數(shù)0．3，設(shè)置毛坯為恒溫(1050℃)，鐓粗圓盤與小方砧的向下運(yùn)動(dòng)速率均為10mm／s，應(yīng)用稀疏矩陣和Newton—Raphson迭代法進(jìn)行求解。模型中毛坯網(wǎng)格變形與等效應(yīng)力分布都較均勻，因此可有效控制心部夾雜物的形貌，避免出現(xiàn)夾雜物在劇烈的剪切變形下成為片狀，并與基體形成微裂紋的現(xiàn)象。

    通過分析大型管板鍛件夾雜性裂紋形成機(jī)理和有限元模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在原先工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出以下鍛造工藝：鋼錠預(yù)鐓粗一兩次W H F法拔長一預(yù)鐓粗40％一旋壓成形。1)通過分析夾雜性裂紋的形成機(jī)理證明：管板鍛件在強(qiáng)烈且不均勻的鐓粗變形下，內(nèi)部夾雜物成為片狀，基體形成微裂紋，并發(fā)生聚合現(xiàn)象，形成探傷不合格的夾雜性裂紋。2)通過改進(jìn)鍛造工藝，采用WHF法拔長+預(yù)鐓粗+旋壓成形，可有效控制夾雜物形貌，從而避免產(chǎn)生夾雜性裂紋，提高探傷合格率。3)采用有限元軟件模擬管板鍛件成形過程，為實(shí)際鍛造工藝的改進(jìn)提供理論依據(jù)。